Mix and Match: Wie eine methanogene Mikrobe die Sulfatreduktion meistert

Um die molekularen Mechanismen der Sulfatassimilation zu verstehen, untersuchten die Forschenden das Genom von M. thermolithotrophicus. Sie fanden fünf Gene, die in der Lage wären, Enzyme für die Sulfatreduktion zu kodieren. „Wir haben es geschafft, jedes einzelne dieser Enzyme zu charakterisieren und somit den gesamten Stoffwechselweg zu erforschen. Eine wahre Meisterleistung, wenn man sich die Komplexität des Stoffwechselweges vor Augen führt“, sagt Tristan Wagner, Leiter der Max-Planck-Forschungsgruppe Mikrobielle Metabolismen.

Durch die individuelle Charakterisierung der Enzyme konnten die Forschenden den ersten Sulfat-Assimilationsweg eines Methanogens rekonstruieren. Während die ersten beiden Enzyme des Weges gut bekannt sind und in vielen Mikroben und Pflanzen vorkommen, waren die darauffolgenden Enzyme neuartig. „Erstaunlicherweise hat M. thermolithotrophicus offenbar ein Enzym eines dissimilierenden, sulfatreduzierenden Organismus gekapert und es leicht modifiziert, um seinen eigenen Bedürfnissen zu entsprechen“, sagt Jespersen. Während einige Mikroben Sulfat als Zellbaustein assimilieren, verwenden andere es, um in einer dissimilatorischen Reaktion Energie zu gewinnen – wie Menschen bei der Sauerstoffatmung. Die Mikroben, die diese dissimilatorische Sulfatreduktion durchführen, nutzen dazu andere Enzyme. Das hier untersuchte Methanogen hat eines dieser dissimilatorischen Enzyme in ein assimilatorisches Enzym umgewandelt. „Das ist eine einfache, aber sehr effektive Strategie und wahrscheinlich der Grund, warum dieses Methanogen auf Sulfat wachsen kann. Bisher wurde dieses spezielle Enzym nur in M. thermolithotrophicus und in keinem anderen Methanogen gefunden“, so Jespersen.

Allerdings muss M. thermolithotrophicus auch mit zwei Giftstoffen fertig werden, die bei der Assimilation von Sulfat entstehen. Dafür sind die beiden letzten Enzyme des Weges gedacht: Das erste, das wiederum einem dissimilatorischen Enzym ähnelt, wandelt Sulfit in Sulfid um. Das zweite ist eine bisher unbekannte Phosphatase, die sehr effizient das andere Gift mit dem Kurznamen PAP aufspaltet.

„Offenbar hat M. thermolithotrophicus genetische Informationen aus seiner mikrobiellen Umwelt gesammelt, die es möglich machen, auf Sulfat zu wachsen. Indem es assimilatorische und dissimilatorische Enzyme mischte und aufeinander abstimmte, schuf es seine eigene funktionstüchtige Sulfatreduktionsmaschinerie“, erklärt Wagner.

Hydrogenotrophe Methanogene, wie M. thermolithotrophicus, haben die erstaunliche Fähigkeit, zweiwertigen Wasserstoff (H₂, z.B. künstlich mit erneuerbarer Energie hergestellt) und Kohlendioxid (CO₂) in Methan (CH₄) umzuwandeln. Mit anderen Worten: Sie können das Treibhausgas CO₂ in den Biokraftstoff CH₄ umwandeln, mit dem wir zum Beispiel heizen können. Zu diesem Zweck werden Methanogene in großen Bioreaktoren gezüchtet. Ein derzeitiger Engpass bei der Kultivierung von Methanogenen ist ihr Bedarf an dem hochgefährlichen und explosiven Schwefelwasserstoffgas als Schwefelquelle. Mit der Entdeckung des Sulfat-Assimilationsweges in M. thermolithotrophicus ist es möglich, Methanogene, die bereits in der Biotechnologie eingesetzt werden, gentechnisch so zu verändern, dass sie stattdessen diesen Weg nutzen - und damit eine sicherere und kostengünstigere Biogasproduktion zu entwickeln.

„Eine dringende offene Frage ist, warum M. thermolithotrophicus in der Natur Sulfat assimilieren sollte. Dazu müssen wir das Labor verlassen und sehen, ob die für den Stoffwechselweg erforderlichen Enzyme auch in der natürlichen Umgebung dieser Mikrobe exprimiert werden“, schließt Wagner.